（计算机应用技术专业论文）提升机闸控参数测试方法研究.pdf

提升机闸控参数测试方法研究 摘要 本文通过对提升机闸控系统及其现有闸控参数检测方法的分析，提出了一 种在提升机低速运行时，通过切断电源、施加制动闸，检测施闸后的行程和速 度图，依据提升机制动效果，测试出提升机闸控系统参数的方法，并采用t i 公 司生产的t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 和p c 机组成的两级计算机系统来实现参数的检测和 显示。 文章首先介绍了提升机闸控系统的变位质量、静阻力矩、制动减速度以及 提升系统的运行速度、拖动力的测试方法，然后依据作者提出的检测方法，得 到闸控系统的制动力矩、空动时间和制动运行距离等参数。这些参数均由下位 机t m s 3 2 0 f 2 4 0 进行检测并计算得到。 然后，文章对实现上述设计思想所用到的d s p 事件管理单元( e v ) 的正交 编码( 脉冲o e p ) 电路、s c i 通讯模块以及通用l o 进行了分析，并给出了计算闸 控系统参数的软件流程。 接着，本文对检测速度的旋转编码器及其接口电路、检测电流的l e m 模块 及其接口电路以及下位机d s p 的u a r t 与上位机p c 的r s 2 3 2 c 的通讯接口电路等 进行了介绍。 本装置还可在提升机正常运行时，检测提升机的系统参数，如：速度图、 力图等，并具有减速段超速报警功能。 为直观显示闸控系统参数和速度图、力图等，使用p c 作上位机，并用v b 编程，将d s p 传送来的数据在p c 机上以图形和数字方式显示，从而为闸控系统 的可靠性提供依据。 关键词：提升机：闸控系统：制动力矩；空动时间；d s p ；p c 提升机闸控参数测试方法研究 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ea d v a n c e san e wm e t h o dt h r o u g ha n a l y z i n gt h eb r a k i n gs y s t e mo f t h em i n eh o i s ta n dt h ea v a i l a b l et e s t i n gm e t h o d so fp a r a m e t e r s t h i sm e t h o dc a nb e u s e dt ot e s tt h ep a r a m e t e r so fb r a k i n gs y s t e m b ym e a n so ft u r n i n go f fp o w e r , a p p l y i n gt h eb r a k e ，d e t e c t i n gt h ed i s t a n c ea n dt h eh o d o g r a p ho fr n na f t e ri t ，a n d b a s i n go nt h e e f f e c to fa p p l y i n gt h eb r a k e t h ep a r a m e t e r sc a d _ b et e s t e da n d d i s p l a y e db yu s i n gt h es y s t e mc o n s i s t i n go f p ca n dt m s 3 2 0 f 2 4 0d s pp r o d u c e db y t ic o m p a n y a tf i r s t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h em e t h o dt ot e s tt h ee q u i v a l e n tm a s s ，t h es t a t i c m o m e n to fr e s i s t a n c e ，a n dt h eb r a k i n gd e c e l e r a t i o no ft h eb r a k es y s t e ma n dt o e x a m i n et h es p e e da n dt h ef o r c eo ft h eh o i s t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i n g m e t h o dt h a tt h ea u t h o rp u tf o r w a r d s ，t h ep a r a m e t e r ss u c ha st h eb r a k et o r q u e ，t h e t i m eo fi d l em o t i o n ，t h eb r a k ed i s t a n c ea n ds oo nc a nb eo b t a i n e d t h e s ep a r a m e t e r s a r et e s t e da n dc a l c u l a t e db yt m s 3 2 0 f 2 4 0 b e s i d e s ，t h ea r t i c l ea n a l y z e st h eq u a d r a t u r ee n c o d e rp u l s e ( q e p ) c i r c u i to f e v e n tm a n a g e rm o d u l e ( e v ) ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c e ( s c i ) a n di ow h i c h a r eu s e dt or e a l i z et h ea b o v ei d e a s ，a n dg i v e st h es o f t w a r ef l o wo fc a l c u l a t i n gt h e p a r a m e t e r so fb r a k i n gs y s t e m m e a n w h i l e i ti n t r o d u c e st h er o t a r ye n c o d e ra n di t si n t e r f a c ec i r c u i tt ot e s tt h e s p e e d ，l e ma n di t si n t e r f a c ec i r c u i tt ot e s tt h ee l e c t r i cc u r r e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c ec i r c u i to fd s su a r ta n dpc ，sr s 2 3 2 c a n ds of o r t h t h ed e v i c ec a nd e t e c tt h es y s t e mp a r a m e t e r so ft h eh o i s ts u c ha sv e l o c i t y d i a g r a m ，f o r c ed i a g r a m ，e t c m o r e o v e rw h e nt h eh o i s to p e r a t e sn o r m a l l y ，i tc a n a l a r mw h e ni to v e r s p e e d sa td e c e l e r a t i n gs e c t i o n t od i s p l a yt h ep a r a m e t e r so fb r a k i n gs y s t e ma n dh o d o g r a p he c to nt h es c r e e n t h r o u g hg r a p ha n dd i g i t a l ，t h es u b s y s t e md s ps e n d st h ed a t at op cw h i c hi s p r o g r a m m e db yv b k e yw o r d s ：h o i s t ；b r a k i n gs y s t e m ；b r a k et o r q u e ；t h et i m eo f i d l em o t i o n ；d s p ；p c y - 7 7 6 7 1 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀堡三：盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：券橇 签字日期：世；月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王盔鲎有保留、使用学 位论文的规疋、即：研究生在校攻读学位期间论文工作睁知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞徵堡兰 态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：张 签字日期：澎6 月7 日 导师签名：毒锣曰投 签字日期：新g 月 日 ， 提升机闸控参数测试方法研究 1 1 课题的背景及意义 1绪论 提升机是矿山重要的运输设备，是机械和电气综合组成的一体化大型设备， 是矿井地面与井下生产联系的中枢。它担负着提升煤炭、矿石、下放材料、升 降人员和设备的任务，素有“矿井咽喉”之称。提升机的安全运行不仅直接影 响整个矿井的生产能力，影响着整个煤矿的经济效益，而且还直接影响到矿山 生产人员的生命安全。 目前，我国煤矿由于提升机故障而发生事故或重大事故的例子很多。如1 9 9 8 年河南平顶山市石龙区西区煤矿副井提升机由于制动器故障发生坠罐事故，死 亡1 4 人；淮北矿物局相成煤矿主斜井提升机因安全制动力矩过大，多次发生紧 急制动断绳事故；淮北矿物局石台煤矿主井提升机因制动力矩过小，导致重载 箕斗坠入井底，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。 由此可见，矿井提升机的制动装置直接影响提升机的正常工作和安全，影 响到煤矿生产人员的生命安全和矿井的生产能力。提升机的制动力矩既不能过 大也不能。制动力矩过小，紧急制动时闸不住提升机，将造成事故的发生或扩 大。制动力矩过大，产生的制动减速度过大，不仅会影响机械的使用寿命，甚 至造成断绳等严重事故。 历年来，我国对矿井提升机的安全问题极为重视，对矿井提升设备的安全 性提出了极为严格的要求。煤矿安全规程和煤矿机电设备完好标准对此 都作出了明确的规定，对矿井提升机的性能参数有明确要求。为满足要求必须 定期进行提升机性能参数的全面测定，并进行系统分析，以保证提升机处于良 好的运行状态行。 1 2 国内外研究概况 目前国内、外对矿井提升机闸控系统参数的测试方法比较多，总体看来 可分为直接测试和间接测试两种。 12 1 直接监测方法 所谓直接监测，就是直接由传感器取得制动力矩信号而进行的制动器检视。 直接监测制动器状态均基于应变力测量技术。 直接测试中一种常用的方法就是在提升机静止时，分别测试每条闸臂上的 制动闸的制动力矩 t 船，考虑各闸制动不均匀，则总制动力矩 提升机闸控参数测试方法研究 m ： = 拍f 1 】 ( 1 一1 ) i = l 具体步骤如下：分别关闭所有闸臂中的一条闸臂的制动闸油路，使其处于 制动状态，其余闻臂的制动闸处于松闸状态，然后将钢丝绳一端固定在卷筒上， 另一端接拉力传感器( 它与数字式测力仪配套使用) ，其另一端与吊车的吊钩相 连。当起动吊车拉动滚筒时，该传感器将拉力传送到测力仪。从测力仪上便可 读出钢丝绳拉力s 。为使测量更加准确，每条闸臂上的制动闸分别测3 次，然 后求均值。每次转动一些角度。设钢丝绳拉力的作用半径为冗。 则有m 拍f = t r 。= s r ， ( 1 2 ) 式中：7 为副闸的制动力， r 。为摩擦制动半径，m 该法测试虽简单易行，但需要大量的人力、物力。 直接监测的第二种方法是使用薄型荷重传感器获得制动力矩信号，这种方 法一般将荷重传感器置于闸座地脚螺栓的紧固约束下。 直接监测方法简单易行，然而第一种方法需要大量的人力、物力，且传感 器影响因素大，难以真正反映直接的制动力矩。第二种方法则由于荷重传感器 始终受螺栓预紧力作用，传感器容易疲劳失效，并且安装精度也要求很高。直 接监测方法的最大缺点还是它只能测得提升机静力矩所产生的制动力矩值，不 能实现实时监测，故直接监测方法仅在早些时候才有历应用。 1 2 。2 间接监测方法 所谓间接监测，是通过测量制动闸与盘闸之间的正压力来实现制动力矩的 监测。由于测取正压力之后，还要乘摩檫系数和摩檫半径方能得知制动力矩值， 故名间接监测。 间接方法有： 在盘式制动器柱塞上粘贴电阻应变片，由柱塞压缩应变信号反映制动盘 正压力状况，此法虽能判断出弹簧失效故障，但由于监测数据少，无法进行整个 制动系统的故障诊断。 p b m 监测法。所谓p b m 监测方法，是指液压站油压( p r e s u r e ) 、制动闸 ( b r a k e ) 联合监测( m o n i t o r i n g ) ，简称为p b m 。制动器液压站对应于制动闸几个 状态的油压值反映出制动器的工作状态和发生的故障模式。因此，依据这个基 本原理就可得到p b m 型制动器在线监测装置该装置不仅具有常规的监视功能 ( 如制动力矩、闸瓦同步状态和闸瓦间隙) ，而且还具有一些必要的检测功能( 如 检测制动闸空动时间、闸瓦摩擦系数) ，能够识别诸如碟簧断裂失效、闸瓦磨损、 残压过高、油路不畅和油缸受卡等故障。 提升机闸控参数测试方法研究 间接方法测量制动力矩常用的方法如下： 盘式制动器的制动作用是通过制动闸瓦和制动盘间的摩擦力实现的。 制动器的制动力矩为 m z = n i 归e ( 卜3 ) 式中：n 为闸瓦对制动盘的正压力，川 厂为闸瓦与制动盘的摩擦系数 r 为制动半径，m 。 式中，摩擦系数与实际摩擦副材料有关，这两个参数均可通过查询原始资 料或实测得到。另外，在生产现场，对制动力矩的调节主要是通过调节制动正 压力实现的。因此，关键问题是正压力n 的测量。由盘式制动器的工作原理可 知，在工作制动时，制动器所能产生的有效正压力为 虬= 彳( p c i - - p ，) ( 1 4 ) 式中：a 为油缸活塞有效作用面积，c m 2 ； p ，。为第f 号闸瓦的贴闸油压，谶。； p ，为制动器液压站的工作残压，m 只； 即为制动器闸瓦副数。 由式( 1 4 ) 可知闸瓦的制动力矩的测定就是对各闸瓦贴闸油压p ，和液压站 工作残压p ，的测定。因此，测量的信号为各闸瓦的贴闸信号和油压信号。贴闸 信号采用电涡流位移传感器测定闸瓦位移变化信号；油压信号采用油压传感器， 用油压表三通将油压传感器串在液压站总油压表处。 由此可见，间接监测方法具有一定的优点，比如它可以克服直接监测方法 的缺点，实现实时监测，监测的精度也有所提高，但它存在着传感器多且安装 不便、信号的线性度和零漂难于维持等缺点。 1 3 课题的主要研究内容 不论是直接监测还是间接监测，都只是实现制动器的单参数状态监测。直 接监测的主要缺点是只能得到提升机静力矩产生的制动力矩，不能实现实时检 测。间接监测存在着传感器多且安装不便、信号的线性度和零漂难于维持等缺 点。由于以上几种方法都存在各自的不足之处，难以实现对整个制动系统的动态 在线监测与故障诊断。 针对目前测试方法存在的问题，我们提出一种在提升机低速运行时，通过 切断电源，施加制动闸，检测施闸后的行程和速度，依据提升机制动闸的制动 效果测试出其闸控系统的参数。本测试方法既简捷方便，又直接准确。其必将 提升机闸控参数测试方法研究 对提升机制动闸参数的测试产生重大影响，具有广泛的应用前景。 在本系统中除了可以测定制动系统的制动力矩和空动时间外，还可以检测 到提升机的速度图和力图。 为了实现这些参数的测定及显示，系统的下位机选用了美国德州仪器公司 ( t i 公司) 的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，上位机选用p c 机，下位机的u a r t 和上 位机的通过通信接口连接起来，通信接口使用的是r s 2 3 2 。在本系统中，利用 t m $ 3 2 0 f 2 4 0 的正交编码脉冲( q e p ) 电路定时采集高速脉冲信号可得提升系 统的转速，从而得到速度和行程等参数；利用它的a d 转换模块来检测主电机 的定子电流，以此得到提升系统拖动力；根据制动后的效果，可计算出制动力 矩及空动时间；通过通信接口来完成通信电平的转换和数据传输，将下位机处 理好的数据传送给上位机。上位机软件部分采用v i 【s u a lb a s i c 编程，采用了v b 中的m s c o m m 通信控件实现了p c 机和d s p 的串行通信，利用v b 自带的控件 设计出友好的人机界面实现了参数的显示，界面直观便于操作。 由此可得，本系统能完成矿井提升机运动系统、制动系统和电控系统有关 数据的采集、处理与实时显示。通过对采集的数据进行分析可得出被测系统如 下参数：制动系统的制动力矩和空动时间以及速度、行程、拖动力等。系统的 功能具体如下： 1 ) 在提升机低速运行时，切断主电机电源，施加制动闸，检测转速，计算 出施闸后的减速度，再根据测试的某些相关数据计算出提升系统的静阻 力矩及变位质量，从而可求出制动系统的制动力矩。 2 ) 根据制动后的速度图，可测定制动系统的空动时间。 3 ) 在提升系统运行时，通过采集光电编码器输出的高速脉冲信号，并对其 进行分析计算，得到提升容器的速度及位置。 4 1 在提升系统运行过程中。检测主电机定子电流，可计算出提升系统的拖 动力，并通过上位机实时显示提升力图。 5 ) 在正常提升时，本系统还具有减速段超速报警功能。 6 ) 打印提升系统的有关参数。 由此就可较为全面地了解被测提升系统及其闸控系统的运行状况。 本章阐述了课题研究的背景和意义，分析了提升机闸控系统参数测试的必 要性，介绍了矿井提升机制动闸参数的测试方法及国内外研究概况，在此基础 上给出了本论文的主要研究内容及所能实现的功能。 提升机闸控参数测试方法研究 2 提升机闸控系统参数及提升系统参数的测定与分析 对目前测试方法存在的问题，作者提出了一种新的方法来检测提升系统的 制动力矩，既在提升机低速运行时，通过切断电源，施加制动闸，检测施闸后 的减速度，依据提升系统的动力学方程，从而得到制动力矩。 该系统除了能测定提升系统的制动力矩外，还可以检测它的空动时间、速 度图以及拖动力图等参数。 下面对这些参数及其测定方法进行分析。 2 1 制动力矩的测定 2 1 1 对制动装置的有关规定和要求 提升机的制动装置，通称制动器，是提升机不可缺少的一个重要组成部分， 其制动是作为提丹系统减速并安全停止的最后手段，它直接影响提升机的正常 工作和安全。制动器由执行机构制动闸和传动机构两部分组成。制动闸是直接 作用于制动轮或制动盘上产生制动力矩的机构，按结构可分为轮式制动闸和盘 式制动闸。传动系统是控制并调节制动力矩的机构，按传动的动力源可分为油 压系统和气压系统。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止转动。然而，根 据提升机的具体作业情况，制动装置的可靠性功能可分为： 1 ) 当提升机停车时，可靠地闸住提升机，保证任何情况下均不能转动； 2 ) 当提升机减速或重载下放时，参与提升机速度控制，使提升机的运行状 态不偏离预定要求，称为工作制动； 3 ) 当发生突然性事故或意外情况时，迅速且合乎安全要求地闸住提升机， 避免事故的恶性扩大和发展，称为安全制动； 4 ) 对于双卷筒提升机，在更换提升水平、更换钢丝绳和调绳，需打开离合 器时，闸住游动卷筒( 有些制动器，如公共驱动的角移式制动，不具备 此项功能) 。 提升机闸控测试系统的关键就是检测其制动力矩是否满足煤矿安全规程 的要求。煤矿安全规程中第4 0 8 、4 0 9 的规定： 第4 0 8 条保险阁( 或保险阐堤一级) 舶空动时问( 由保护回路断电时起 止闸互接触到闸论上的时间) ：压缩空气驱动闸瓦式制动闸不得超过0 5 s ，储能 液压驱动闸瓦式制动闸不得超过0 6 s ，盘式制动闸不得超过o 3 s 。对斜井提升， 为了保证上提紧急制动不发生送绳而必须延时制动时，上提空动时间可以不受 本条文规的限制。盘式制动闸的闸瓦与制动盘之间的间隙应不大于2 r a m 。保险 提升机闸控参数测、试方法研究 闻旋闸时，杠秆和闸瓦不得发生显著的弹性摆动。 第4 0 9 条提升绞车的常用闸和保险闸制动时，所产生的力矩和实际提升 最大静荷重旋转力矩之比( k ) ，都不得小于3 。对质量模数较小的提升绞车， 上提重载保险闸的制动减速度超过所规定的限值时，可将保险闸的k 值适当降 低，但不得小于2 。凿井时期，升降物料用的绞车，k 值不得小于2 。双滚筒绞 车在调整滚筒旋转的相对位置时，制动装置在各滚筒闸轮上所发生的力矩，不 得小于该滚筒所悬重量( 钢丝绳重量与提升容器重量之和) 形成的旋转力矩的 1 2 倍。计算制动力矩时，闸轮和闸瓦摩擦系数应根据实测确定，一般采用 o 3 0 0 3 5 ：常用闸和保险闸的力矩应分别计算。 对于多绳摩擦提升机的制动力矩m ，除应满足煤矿安全规程制动力矩 和制动减速度的要求外，还必须满足紧急制动时钢丝绳的防滑要求，故其制动 力矩计算条件为； 最小制动力矩的下限条件为： m z 3 m 。 m z l 5 m 月十 斫脚茁 最大制动力矩的上限条件为： 尬5 z m r - m i r a “ m z ( 1 3 s 坍r - 面。 施a 3 x s 研r + 埘以 式中： m ，。一一提升机实际最大静力矩，n o m ，可由式( 2 一1 ) 计算出； d 岛。= 【q + j f 丰明r ( 2 一1 ) 日一提升高度，m ； a 3 s - 一提升重载时的防滑减速度，m s 2 a h 一一下放重载时的防滑减速度，m s 2 。 由上可得出制动力矩的边界条件，为满足要求必须定期进行提升极性能参 数的全面测定，并进行系统分析，以保证提升机处于良好的运行状念行。 2 1 2 制动减速度与制动力矩的关系 图2 - 1 和2 - 2 分别为提升熏载和下放重载时卷筒力矩示意图。 根据力矩平衡原理，可求得制动减速度与制动力矩的关系。 由图2 - 1 可得出，重载时提升系统的力矩平衡方程： m z + mj m g = 0 式中：m z - 提升机制动力矩： 磁一一提升系统的静力矩： 冬提升重载时提升系统惯性力矩 ( 2 - 2 ) 提升机闸控参数测试方法研究 m g 。y m a 。r ： 卅一- 提升系统总变位质量； 奸一提升重载时的制动减速度 r 提升机卷筒的缠绕半径。 图2 1 提升重载时 卷筒力矩示意图 图2 - 2 提升重载时 卷筒力矩示意图 同理，由图2 2 可得出下放重载时的力矩平衡方程： m z m ，一m g = 0 ( 2 - 3 ) 式中：a 矗下放重载时，提升系统的惯性力矩， m 9 2 y m n x r 。 由此可得出提升和下放重载时，制动减速度与制动力矩之间的关系式为： m z = - t - m ，+ m a r ( 2 - 4 ) 式中：口提升或下放重载的制动减速度。 m 前的+ 、一号分别对应提升重载和下放重载。 由式( 2 4 ) 可看出，只要求得提升系统的静力矩m 、提升系统总变位质量 5 2 m 、制动减速度a 以及提升机卷筒的缠绕半径r 就可得到制动力矩m z 。由于 针对一个具体的提升系统而言，其提升机卷简的缠绕半径r 可直接测量得到，因 此下面主要对其余参数进行分析。 2 1 3 提升系统的静力矩m j 的测定 提升系统的静力矩必与静阻力和缠绕半径之间的关系为： 舻乃r ( 2 - 5 ) 式中：f f 提升系统作用在卷筒上的静阻力； r 提升系统的缠绕半径。 而提升静阻力e 为上升和下放两根钢绳的静拉力差加上矿井阻力矽，即： 日= 一+ ( 2 6 ) 提升机闸控参数测试方法研究 如图2 3 所示，设提升容器自提升开始经过时间f ，重罐笼由井底车场上升了 距离h ，空罐笼自井口下降了距离h ，则在此位置时，上升绳的静拉力为： 乃。= q + q z + 阻j l l ( 2 7 ) 下放绳的静拉力为： = q z + 凡 ( 2 - 8 ) 式中： = ，p 一”2 q 一一主尾绳不平衡重力，： h i , 也一首绳与尾绳的数量； p ，q 一一首绳与尾绳的每米重量，n m ； q 一一一次提升量，； q z 一提升容器自重； h 一一提升总高度，卅。 _u 巧1 f ，川 图2 - 3提升系统示意图 矿井阻力包括提升容器在井筒中运行时的空气阻力、罐耳和罐道的摩擦阻 力、钢绳在天轮和卷筒上弯曲时的刚性阻力、卷筒和天轮旋转时的空气阻力及 其轴承中的摩擦阻力等。这些阻力在提升过程中是变化的，很难精确算出。因 此在计算时一般都视矿井阻力为常数，并以提升量的百分比来表示。将式( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 代入式( 2 - 6 ) 中，则作用在卷筒上的静阻力方程式为： f i k q + ( n i p n 2 q ) ( h 一2 h o t 2 - 9 、 式中：世为矿井阻力系数，k i ，罐笼提升时肛1 2 ，箕斗提升时k = i 15 。 由式( 2 - 9 ) 可知，要得到提升系统的静力矩m 就必需测定下述参数值： 次提升量q ； 首绳与尾绳的数量q l , 啦： 首绳与尾绳的每米重量p ，q ； 提升机闸控参数测试方法研究 提升高度 提升机滚筒缠绕半径尺； 提升位置巩。 对于一次提升量q 、首绳与尾绳的数量乩啦、首绳与尾绳的每米重量p , q 、 提升高度h 以及提升机滚筒缠绕半径r ，针对一具体提升系统而言均为己知， 关键是最后一个参数即提升位置h ，其可利用旋转编码器和d s p 的事件管理单 元( e v ) 中的q e p 测定计算得到，具体步骤如下： 用旋转编码器提升系统电机的转速，送入d s p 的q e p 管脚。q e p 引脚的 脉冲经计数计算得到当前主电机的转速，从而得到提升系统的速度，对速度进 行积分可计算出容器在井筒中的位置，也就是自某起点丌始对计数脉冲单元先 清零，然后将其采集的脉冲值累加，即可求出提升位置凡。 将测定的参数值代入式( 2 9 ) 就可求出在切断电源、施加制动闸的瞬间提 升系统的静阻力f ，从而可得静阻力矩m 。又由于制动后容器运行的距离相对 较短，提升系统的静力矩m 变化不大，因此在整个制动过程中提升系统的静力 矩都近似认为是上面所求的静力矩瞄。 2 1 4 提升系统总变位质量的测定 提升系统在加( 减) 速过程中其各个联动部件都要加( 减) 速，为了便于 计算急惯性力，可把提升系统各运动部件的质量都变位到提升机滚筒圆周上， 即线加速度为提升容器加速度的地方。变位的原则是必须保证变位前后动能相 等。变位后全系统各变位质量的总和，称为提升系统的总变位质量m 。由前 面的分析可知，在提升系统的制动力矩计算时，首先应该知道提升系统的总变 位质量m ，才能利用有关公式进行验算。提升系统的总变位质量可以通过计 算或实际测定来确定，下面分别进行分析。 2 1 4 1 提升系统总变位质量的计算 在提升机主电动机天轮( 导向轮) 容器钢丝绳等技术数据齐全时，提升系 统总变位质量可以通过计算确定，其公式为： 1 y m = 二( q + 2 q z + 以l p l p + n 2 q l q + 2 g ，+ g ，+ g d ) ( 2 - 1 0 ) g 式中 5 2 m 一一变位质量，培； q 一一载荷重力，n ； q z 一提升容器自重( 罐笼提升时包括矿车) ，n ： 仇一主绳根数： p 一一主绳每米重力， ，m ； 厶一主绳实际悬挂长度，7 1 1 ，其可由式( 3 一1 0 ) 计算， 提升机闸控参数测试方法研究 l 尸= h c + 三一+ 3 尼d + l 占+ l s ； ( 2 - 1 1 ) a r c 一悬挂高度，m ； 三，一钢丝绳弦长，卅； 3 z r d 一摩擦圈长度，m ； l 。围抱天轮部分钢丝绳长度，m ， l 口0 ，5 1 r d ，； k 一一钢丝绳试验长度，m ，一般取2 0 3 0 m ； ”。尾绳根数： q 一一尾绳每米重力，m ； 三。一一尾绳实际悬挂长度，m ， l 。= h + 2 h h h 一尾绳环高度，m ； g ，一天轮的变位质量，k g ； g ，一滚筒的变位质量( 包括减速器的变位质量) ； 国一一电动机转子的变位质量，堙，其可由式计算， i 2 g d = ( g d 2 ) d j ( 2 - 1 2 ) ( g d 2 ) 。一一电动机转子回转力矩，聊2 ( 由电动机产品或厂家样 本提供) ； i 一减速器减速比； d 一一滚筒直径，m ： g 一一重力加速度，m s 2 。 需指出的是提升系统总变位质量m 可在提升系统静态时计算出。 2 1 4 2 提升系统总变位质量的测定 目前，矿井提升系统由于生产的发展，产量的增加，一些老矿进行了不少的 技术改造，部分设备的更新改造后的参数指标与原有参数指标差异很大，况且 有一些矿井其提升系统技术数据资料不全，因而无法通过计算确定其变位质量， 这时，可通过现场实际测定求出提升系统的变位质量，其不仅可测定计算出未 知部分的变位质量，还可验证提升系统技术数据的准确性和可靠性。因此这项 工作也具有十分重要的实际意义，其应用价值也是显而易见的。 测定提升系统总变位质量z m 的方法和步骤如下： 1 ) 测定下述参数值 提升载荷p ； 两个提升容器的自重q z ( 两个q z 相同否) ； 提升速度v ( 最好为) ： 提升高度； 提升机闸控参数测试方法研究 主绳和尾绳的根数及单重等。 2 ) 实际测量 使重载侧在井底，由下向上启动、加速至等速v 运行一段时间，然后将主 令控制器手柄迅速搬到中间零位使主电机断电，不要给闸，让提升系统自由滑 行减速。待提升机将要停止( 速度约为零时) 施闸停车。 这里仍然利用d s p 的正交编码脉冲q e p 电路得到提升系统的速度图，如 图2 2 所示。从图2 2 记录的速度图上，就可以明确地得到所需的速度、时间等 参数。其原理如下： 提升机在正常运行的情况下，容器的速度与滚筒或电机的转速对应。利用 旋转编码器和o e e 电路可采集电机或滚筒的转速，就可得到容器的速度，将其 一定时期内计数脉冲累加，即可得到提升位置容器在井筒中的行程。由此可见， 电机或滚筒的转速或转角经d s p 处理后可得到容器的行程、速度、加速度等运 动参数。 该信号的采集方法是将旋转编码器与电机轴联接，电机转角经轴编码器转 换成与之对应的脉冲信号送入d s p 的q e p 管脚。q e p 引脚的脉冲经定时计数 得到当前主电机的转速，从而得到提升系统的速度，将速度记录下来就可得到 提升系统的速度图。 3 ) 计算变位质量 通过记录的加速、等速及减速过程的速度图，如图2 - 4 所示，便可计算出 提升系统总变位质量州。 图2 - 4 提升系统速度图 计算方法如下： 根据记录下的速度图，可得加速段时间t l 、等速段时间t 2 、减速段时间t 3 值 以及速度。 a ) 自由滑行减速度吼的计算 口，：尘( m s 2 ) ( 2 1 3 ) 。 屯 b 1 上升重载侧容器由加速开始，经等速到停车为止，所走的行程( 距 离) 凡为 提升机闸控参数测试方法研究 k = ( t t + t s ) 十v o t 2 ( m ) ( 2 - 1 4 ) z c ) 由动力方程式根据力的平衡得 z m ：堕竺塑型( 堙) ( 2 1 5 ) 吼 当两侧提升荷重之差q ( n ) 、主绳与尾绳每米总重力之差a = n i p n 2 q ( n m ) 、矿井阻力系数k ( 箕斗提升为1 15 、罐笼提升为1 2 0 ) 以及井筒深 度h ( 卅) 已知时，就可通过式( 2 - 1 5 ) 求出总变位质量z m 。 上述测试计算方法的特点是：实测时要求矿上准备工作少，基本不用停车， 简单方便，不影响生产。缺点是由于受提升载荷q 值不准确等因素的影响，有 点误差，所以在实测时提升载荷q 值要经过称重，连续做几次，计算后取m 的 平均值。 2 1 5 制动减速度的测定 从式( 2 4 ) 中可看出，要得到制动力矩m z 除了需要提升系统静力矩m 、提 升系统总变位质量z m 外，还要测定制动减速度a 。由于提升机在正常提升或正 常速度下施闸制动，可能引起故障或事故，因此正如前面所提出的那样，在提 升速度很低时，再施闸制动。故制动减速度是在提升机低速运行时，通过切断 电源，施加制动闸的条件下测得的。提升机低速运行时，紧急制动不会造成事 故，比较安全。 在本系统中，仍然利用d s p 的正交编码脉冲q e p 电路得到提升系统的速度 图，从而得到制动减速度。具体方法如下： 在提升机低速运行时，将主令控制器手柄迅速搬到中闯零位使主电机断电， 施加制动闸，让提升系统紧急制动，利用旋转编码器将电机转角转换成与之对 应的脉冲信号，旋转编码器输出的脉冲信号送到d s pt m s 3 2 0 f 2 4 0 的事件管理模 块的捕获单元正交编码脉冲输入单元c a p q e p 引脚，d s p 对脉冲计数，然后经 计算得到转速，从而得到制动减速度。 2 2 空动时间的测定 所谓空动时间是指从开始( 提升机断电) 至闸瓦与制动盘( 轮) 接触之前 这段时间。提升系统的空动时间必须满足煤矿安全规程中的规定： 保险闸( 或保险闸堤一级) 的空动时间( 由保护回路断电时起止闸互接触 到闸论上的时间) ：压缩空气驱动闸瓦式制动闸不得超过o 5 s ，储能液压驱动闸 瓦式制动闸不得超过o 6 s ，盘式制动闸不得超过0 ，3 s 。对斜井提升，为了保证 上提紧急制动不发生送绳而必须延时制动时，上提空动时间可以不受本条文规 提升机闸控参数测试方法研究 的限制。 前面我们已经对速度图的测定方法进行了分析，其实从速度图上，就可以 明确地得到空动时间。 在本系统中，为简化一些操作和减少一些因素的影响，空动时间测定的条 件是：提升容器空载，两罐笼相遇的瞬间即当罐笼在井简中间位置时，紧急制 动，检测从断电到停车这一过程中提升系统的速度图。 如果不是在提升容器空载，当罐笼在井筒中间位置时，紧急制动，而是在 下放重物或提升重物时紧急制动，提升系统的空动时间就很难从制动后速度图 上明确得到。具体原因如下： 在提升系统的空动时间内，由于静阻力的作用，提升容器是处在自由滑行 阶段。对于下放重物，提升容器的运行速度将有所增加，而即使制动力加上以 后，速度还会增加，一直到制动力增加到与静阻力平衡，这之后速度将减小。 其速度图如图2 3 所示。而对于提升重载，在空动对间内速度是在减小，制动 力加上后速度依然减小。其速度图如图2 - 4 所示。 由图2 3 和图2 4 可看出，不论是下放重载还是提升重载，都很难从紧急制 动后的速度蓝线中简单明确地确定出空动时间。因此我们选择在提升系统空载、 两罐笼相遇即两罐平衡时紧急制动的情况下来测定空动时间，具体的原理如下： 由式( 2 9 ) 提升系统的静阻力方程式可知，在紧急制动开始( 提升机断电) 至闸瓦与制动盘( 轮) 接触之前这段时间，即提升系统的空动时间内，如果要 消除静阻力对容器速度的影响，需使q = o ，亿= h 2 。即在提升系统空载、两罐 笼相遇的瞬间，主电机断电，施闸，紧急制动。 图2 3 下放重载紧急制动 提升容器速度曲线 图2 - 4 提升重载紧急制动 提升容器速度曲线 测定空动时间的具体步骤如下：使提升系统两罐均空载，由d s p 来检测容 器位置( 检测方法前面已有描述) ，当容器在h 2 处时，即两罐笼相遇的瞬间， 将主令控制器手柄迅速搬到中间零位使主电机断电，同时施闸，紧急制动。由 d s p 检测从断电到停车这一过程中提升系统的速度图。其速度图将如图2 5 所 不。 提升机闸控参数测试方法研究 图2 - 5 空载两罐笼相遇屙紧急制动 提升容器速度曲线 由图2 5 ，可以很清楚地看出提升系统的空动时间，其可由d s p 精确测 定。 2 3 提升力图的测定与验算 为了验算提升电动机的功率和电气控制设备，应对提升力图进行测定和验 算。 2 3 1 测试原理 当提升机正常工作时，电动机的定子电流与电动机发出的拖动力( 力矩) 成正比，即定子电流与作用在提升机滚筒上的拖动力成正e e 。所以只要测出一 次提升全过程的定子电流，就可确定出电机的等效力。 电动机的等效力与电流之间的关系为： = 塑警里“出 ( 2 - 1 6 ) 式中： 如一一等效电流，可由下式计算： k =( a ) ( 2 1 7 ) k 一电动机定子线电压( 伏) ； c o s q ) 一电动机的功率因数； k 一提升机的最大速度( m s ) ； k 一等效时间( s ) ； 巩一减速器效率。 多绳摩擦轮提升机，取仇= o 9 ：单筑缠绕式提升机，一级减速时取仇= 0 9 2 ， 二级减速时取，7 ，= 0 8 5 。 季 提升机闸控参数测试方法研究 等效时间为 7 出= a ( t o + t l + t 34 - t 44 - t 5 ) + f 2 + p o ( 2 - 1 8 ) 式中： 口一一低速时散热不良系数，口= 1 2 1 3 ； p 一一停车时散热不良系数，口= 1 3 ： 0 一一提升休止时间： t o 、f 卜扒b 、t 4 、t s - - - 初加速、主加速、等速、减速、爬行及施闸停 车六阶段每段的时间。 从式( 2 - 1 7 ) 可看出，要得到等效电流如，就要先求出瞬时电流、瞬时 时间f 及等效时间。瞬时电流的测定是利用电流传感器将交流电流转换为 o 一5 v 电压信号，然后送到d s p 的模数转换单元。处理后即可得到：而时间则可 利用d s p 的计数器得到。 将等效电流风流以及其他一些固定参数代入式( 2 - 1 6 ) 就可求出电动机的 等效力，从而可描绘出力图。 2 3 2 提升力图的验算 对容器自重和荷载用拉( 压) 力传感器称出，按速度图，可利用矿井提 升系统的动力方程式对力图进行验算： 初加速阶段 目= k q + a t l + z m ，口。 主加速阶段 等速阶段 减速阶段 爬行阶段 f o = 昂一2 a h o = 胃4 - m ( a l a o ) e 。= e l 2 a 女h l 足= e 。z m a l = g 一2 + a + h 2 目= e 一m a 3 f ；= f i 一2 ，a h s f ；= r 4 - m a 2 f ：= f ：一2 a * h 4 说明： 采用五阶段速度图时，无初加速阶段，此时e = k q + a h 4 - z m a 上列式中：a = n 1 p 一1 7 2 q 。 本章对提升系统的制动力矩、空动时间以及拖动力等参数作了分析，并重 点介绍了这些参数的测定原理及方法。 提升机闸控参数测试方法研究 3 提升机闸控参数检测系统的方案设计 3 1 系统结构 提升机闸控系统参数的检测装置如图3 1 所示，主要由上位机和下位机组 成。 l 下位机 上位机 计算机 = 之广 f 通信接口fi 通信接口 i 转速检测 一电源 t m s 卜一 复位电路| 电流检测 3 2 0 f 2 4 0 i 一输入i 悟 叫报警电路 图3 1 系统结构示意图 提升机闸控系统( 亦可称制动系统) 参数的检测对数据处理的精度和实时 性要求都很高，为此作者选用了美国德州仪器公司( t i 公司) 的d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片作下位机的核心，并辅以检测电路、通信电路、报警电路以及相关外围电 路，用来采集转速等高速脉冲信号、电流等模拟量信号和施闸等开关量信号， 以实现闸控系统参数测试的实时检测、数据计算、数据传输、声光报警等。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司推出的主要应用于控制的一款定点d s p ，它把高性能 的d s p 内核和丰富的微机控制器外设功能集于一体，主频为2 0 m h z ，处理速 度快，同时集成很多片内外设，对于提高速度和简化设计都非常有益。为了实 现参数的显示，上位机选用p c 机，上位机软件采用v i s u a lb a s i c 编程，把下位 机传送的数据显示在屏幕上。 6 提升机闸控参数测试方法研究 3 2 系统方案设计 系统的输入信号有3 类：模拟量输入信号、开关量输入信号、高速脉冲输 入信号。模拟量输入信号主要是l e m 模块检测的提升机主电机的电流；开关量 输入信号有：主电机断电、施闸以及提升机停车等信号；脉冲输入信号为光电 编码器输出的转速信号。由l e m 块组成的电流检测电路将提升机主电机定子电 流转换为o 5 v 直流电压信号，然后送入d s p 的a d 转换通道，经分析计算 后可得提升机的拖动力。为了消除干扰，开关量信号经光电隔离后再送入d s p 的数字i 0 接口。光电编码器将提升机的转速信号转换为高速脉冲信号，加在 d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 的事件管理模块( e v ) 的正交编码脉冲输入单元q e p 上，定 时采集这一高速脉冲可得提升系统的转速，对其连续累加( 即积分) 即可得到 容器的运行距离( 行程) 和运行速度等参数。 基于以上内容，对系统进行了设计。以下从系统的硬件系统和软件系统两 个方面来介绍。 3 2 1 系统硬件电路 在选用硬件电路时，除了要考虑数据采集、信号分析与处理的要求外，还 要考虑到矿井的现场生产环境，一般说来，煤矿的生产条件比较恶劣，因此，